（通信与信息系统专业论文）自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现.pdf

j f ) 删 y 18 2 7 绀。 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 加肜缘旷 e 到 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 一洼! 如逡直墓丝噩墨鳖别直盟的! 奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位敝储魏叮胁签字吼加怍厂月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 ， 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 柙茜辘 ， 签字日期：叫杪年厂月刁日 瞎叫 颧帆 字 汐咝却 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 摘要 自主式水下机器人( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e s ，简称a u v ) 是当今机器人 研究领域最热门的话题之一，它在海洋调查，资源勘探以及军事领域有着广泛的应 用前景。然而水下机器人的作业环境是非常恶劣的，时常面临着各种各样的危险， 如舱体漏水，电能不足，水下缠绕等，如果这些危险因素不能得到有效处理和控 制，就有可能给机器人带来不可挽回的损失，如沉入海底等。因此在出现故障或危 险时，a u v 必须能够采取必要措施以确保自身的安全，即具有智能决策的自救能 力，尽力把损失降到最低。由此；面对复杂的水下工作环境，有效且可靠的a u v 水下自救技术，已成为机器人研制过程中需要考虑的重要问题之一。 本课题的研究目的是针对a u v 的故障原因和危险情况的不确定性，设计一种 具有较高可靠性，层次清晰，易于扩展，且具有模块化特点的自救系统。为提高可 靠性，本系统采用了双冗余的思想，为减少复杂性和增强扩展性，本系统采用了基 于行为的控制方法。本文的主要内容有： 首先分析了国内外a u v 及自救系统的发展和研究现状等。 其次介绍了基于行为控制方法的相关理论知识，并以此提出了本自救系统的基 本结构和基本方案，其总体结构包括数据采集和决策控制两个模块。然后是利用 m a t l a b s i m u l i n k 工具软件对自救方案进行了仿真，验证了可靠性和可行性。 再者详细介绍了本自救方案的功能实现，它采用了双冗余系统的概念，其中一 套是附加在基于p c i 0 4 嵌入式主机的a u v 数据采集管理系统中，另一套是独立运 行于基于a r m 9 w i n d o w sc e 平台中。此外作为本自救系统的重要组成部分，文中 还介绍了基于p i c 十六位单片机的自救浮标及其控制系统的设计。 最后对全文进行了总结并提出了今后需要改善的地方。 关键词：自主式水下机器人；自救系统；冗余；行为 r e d u n d a n ts e l f - r e s c u es y s t e md e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nf o r a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e a b s t r a c t a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e 翻u 修i sc u r r e n t l yo n eo ft h eh o t t e s tt o p i c si nt h e f i e l do fr o b o t i c s i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h em a r i n es u r v e y ，r e s o u r c e e x p l o r a t i o na n dm i l i t a r yf i e l d s h o w e v e r , a u vm a y f a c ev a r i o u sd a n g e r sd u et ot r o u b l e s b yi t s e l fo re n v i r o n m e n t ，s u c ha sc a b i nl e a k a g e ，p o w e rs h o r t a g e ，b e i n gs t u c ka n ds oo n i f t h e s ed a n g e r sa r en o th a n d l e de f f e c t i v e l y , t h e ym a yc a u s ei r r e p a r a b l ed a m a g et oa u v t h e r e f o r e ，f a c i n gt h ef a i l u r eo rd a n g e r ，a u vm u s tb ea b l et ot a k ea p p r o p r i a t ea c t i o n st o e n s u r et h e i ro w ns a f e t ya n db r i n gl o s st oam i n i m u m s oa l le f f e c t i v ea n dr e l i a b l es e l f - r e s c u es y s t e mi so n eo fk e yp a r t s i na u v i n t h i sp a p e r , ar e l i a b l e ，s c a l a b l ea n dm o d u l a rs e l f - r e s c u es o l u t i o ni s p r o p o s e d ， c o n s i d e r i n gt h ef a u l t sa n dd a n g e r se n c o u n t e r e db ya u v t h es y s t e mi sar e d u n d a n t s y s t e mi no r d e rt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n du s e sab e h a v i o r - b a s e dc o n t r o lm e t h o dt o i m p r o v es c a l a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r eo r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fa u va n ds e l f - r e s c u es y s t e ma r e i n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h e nt h eb a s i cs t r u c t u r eo fs e l f - r e s c u es y s t e mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d e sd a t a c o l l e c t i o na n db e h a v i o r b a s e dd e c i s i o n m a k i n g a n dn e x t ，t h es e l f - r e s c u es o l u t i o ni s s i m u l a t e di nt h em a t l a b s i m u l i n kt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t y a f t e rm 巩t h ei m p l e m e n t a t i o no fs e l f - r e s c u es y s t e mi s p r o v i d e d i ti s ad u a l r e d u n d a n ts y s t e m ，i nw h i c ht h em a s t e rs e ti sa t t a c h e dt op c10 4c o m p u t e rt oh a n d l e d a n g e r si nt i m ea n dt h es e c o n d0 1 1 0i si m p l e m e n t e db a s e do na r m 9 w i n d o w sc e e m b e d d e dp l a t f o r m f u r t h e r m o r e ，a sa ni m p o r tp a r to ft h es e l f - r e s c u es y s t e m ，as e l f - r e s c u eb u o yi sd e s i g n e db a s e do np i cm i c r o c o n t r o l l e r s f i n a l l y ，t h ep a p e ri ss u m m a r i z e da n da r e a sf o ri m p r o v e m e n ta r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：a u v ；s e l f - r e s c u e ；r e d u n d a n c y ；b e h a v i o r 1 i i i v 目录 l 绪论。l 1 1 本课题研究的目的和意义一l 1 2 国内外研究现状与发展趋势l 1 2 1 自主式水下机器人的发展及研究现状1 1 2 2 水下机器人自救系统的发展状况2 1 3 本文的课题来源和主要工作5 2a u v 控制系统与冗余自救系统的设计。7 2 1a u v 控制系统结构7 2 2 基于行为的控制体系结构9 2 2 2 基于功能的控制结构9 2 2 3 基于行为的控制结构1 0 2 3 冗余自救系统的体系结构1 3 2 4 自救系统决策控制1 4 2 5 本章小节1 6 3 冗余自救系统的仿真研究。1 7 3 1 自救仿真17 3 2 本章小节2 0 4 第一套自救子系统的功能实现2 1 4 1p c i 0 4 平台简介2 l 4 2p c i 0 4 平台自救软件的设计2 2 4 2 1 管道、线程和串口编程基本概念2 2 4 2 2 冗余自救软件的设计2 5 4 3 本章小节：2 9 5 第二套自救子系统的功能实现3 0 5 1s b c 2 4 4 0 开发板及w i n d o w sc e 介绍3 0 n 5 2c a n 总线接口的扩展3l 5 2 1c a n 总线及w i n d o w sc e 驱动概要3l 5 2 2 硬件设计3 3 5 2 3 驱动程序实现。3 4 5 3 冗余自救软件设计3 6 5 3 1w i n d o w sc e 嵌入式开发概述3 6 5 3 2 软件实现3 7 5 4 本章小节3 8 6 自救释放器的设计3 9 6 1 自救释放器总体结构3 9 6 2 自救释放器控制舱的设计k 4 0 6 2 1 自救释放器控制舱硬件设计4 0 6 2 2 自救释放器控制舱软件设计4 l 6 3 自救浮标的设计4 2 6 3 1 自救浮标的硬件结构4 2 6 3 2 自救浮标控制软件4 5 6 4 本章小节，4 9 7 结论与展望5 0 参考文献5 2 致谢。5 5 个人简历5 6 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 v i 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 1 绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着人口规模的不断扩大及人类对资源需求的不断增长，海洋已成为人类生存 与发展的新领域，而作为海洋开发的有力工具之一，水下机器人在海洋调查，资源 勘探以及军事领域有着广泛的应用前景，其研制也已成为机器人领域最热门的话题 之一。 但是水下机器人的作业环境是非常恶劣的，时常面临着各种各样的危险，如舱 体漏水，电能不足，系统死机等，如果这些危险因素不能得到有效处理和控制，就 可能给机器人带来不可挽回的损失，如沉入海底等。因此在出现故障或危险时， a u v 必须能够采取必要的措施来确保自身的安全，即具有智能决策的自救能力， 从而把损失降到最低。本课题的研究目的就是根据a u v 的故障原因和危险情况的 不确定性，设计一种具有较高可靠性，层次清晰，易于扩展，且具有模块化特点的 自救系统。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 自主式水下机器人的发展及研究现状 目前用于水下探测的工具主要有载人潜水器和无人潜水器( u u v ) ，无人潜水器 又称水下机器人，它可分为两大类：一类是有缆水下机器人，又称为遥控潜水器 ( r e m o t eo p e r a t e dv e h i c l e ，简称r o v ) ；另一类是无缆水下机器人，或称为自主式 水下机器人( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称a u v ) 。作为不要脐带电缆、自 带能源、依靠自治能力来管理自己、控制自己工作的a u v ，以其诸多优点已成为 了各国研究的热点，也代表了水下机器人发展的方向。同r o v 相比，a u v 具有活 动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、机动灵活、噪音低、隐蔽性好等优点【l 】。 中国海洋大学硕士毕业论文 与其他潜水器相比，a u v 的另一大特点是造价低，体积重量小，且不需要价格昂 贵的生命维持系统和水面支持系统。因此a u v 在海洋探测领域如海底地形地貌勘 察、海洋资源及地质调查、海洋环境和水文参数测量以及军事应用等方面发挥着不 可替代的重要作用。 a u v 的发展可追溯到2 0 世纪5 0 年代末期，美国华盛顿大学应用物理实验室 ( a p l ) 建造了第一艘无缆水下航行器( a u v ) 一“s p u r v ”，这艘a u v 主要用于 水文调查【2 1 。由于a u v 克服了载人潜水器和r o v 所受的诸多限制，从6 0 年代中 期起，人们开始对无缆水下航行器产生兴趣，并成为越来越多国家和研究者关注的 焦点。但由于技术上的原因，a u v 的发展还是比较慢。随着电子、计算机等新技 术的飞速发展及海洋探测和军事方面的需要，a u v 再次引起人们的关注，a u v 技 术也逐步走向成熟。如今，a u v 的研究已成为一个多学科、多领域交叉的高技术 研究课题，有数十个国家的数十万计的科学工作者从事着这一研究领域，各种先进 及不同用途的a u v 也相继出现。其中较具代表性的a u v 有：美国海军研究生院 的p h o e n i xa u v 和性能更优越的a r i e sa u v ，主要用于研究智能控制、规划与导 航、目标识别等技术。美国麻省理工学院( m i t ) a u v 项目实验室研制的新型自主式 水下潜器o d y s s e y 及其改进型主要用于科学考察和海洋自动取样网络研究。英国开 发出a u t o s u b 系列a u v 用于海洋科学研列3 】【4 】。挪威有h u g i n 系列a u v 用于 海洋探测和军事应用【5 】【6 】。我国研究a u v 技术起步较晚，但是发展迅速，典型代 表有“探索者 号1 0 0 0 米无人无缆遥控潜水器和“c r 0 1 a ”6 0 0 0 米无人无缆遥 控潜水器掣1 】【2 】。 1 2 2 水下机器人自救系统的发展状况 水下机器人作业环境是非常恶劣的，尤其对于那些深海作业机器人，它们时常 面临着各种各样的危险，如舱体漏水、推进器故障、电能不足、系统死机等，如果 这些危险因素不能被有效处理和控制，就可能将给机器人带来不可挽回的损失，在 a u v 家族中也不乏其例，如英国的a u t o s u b 2 水下机器人在南极冰层下执行科考任 务时不幸沉入海底【7 1 。因此在机器人出现故障或危险时，必须能够采取必要的措施 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 来确保自身的安全，即通过一定的自救能力使自身得以回收，并把损失降到最低。 在世界各国研制的水下机器人上也基本都加装了应急自救系统，其可靠性和智能性 也在不断的提高。以下将对一些典型机器人的应急自救技术进行介绍。 美国的a l v i n 载人深潜器【8 】【1 1 1 ，在安全方面除了考虑自身的耐压能力和防水措 施之外，重要的一个措施是通过提供额外的正浮力使潜器上浮至水面。a l v i n 潜器 在水中基本处于零浮力状态，只要提供一个很小的作用力就可以实现上浮和下沉， 因此它可通过抛掉一个小重物，即可浮到水面。a l v i n 潜器在系统电源发生故障的 情况下，可启用两块紧急备用电池，并分别抛载两个重2 5 0 磅的压载，来实现紧急 上浮。如果还需增加浮力，可以将安装在可抛载设备上的重达1 , 4 5 0 磅的电池舱抛 掉，该电池舱的抛载也是通过两块紧急备用电池提供能源。两个机械手也可抛掉， 这样一方面可减轻潜器的重量，另一方面也可消除因为缠绕而带来的危险。如果上 述措施还不能使潜器上浮，则最后抛载潜器的前半部分舱体，舱体浮到水面后由母 船工作人员进行回收。总之，a l v i n 潜器在紧急情况下分步抛载的方式使它的安全 性能得到了很大的提高，也使其成为水下科考时间最长、次数最多、影响力最大的 一艘潜器。 新加坡的s t a r f i s h 是一种提倡模块化设计的a u v | 1 0 】，如图1 1 所示。它通 过定义标准的通信接口，使得各个模块之间相互独立，从而使系统调试、组件更 换、系统升级等变得容易。为保障安全，s t a r f i s h 上装备有专门的安全应急系 统，此系统由泄露传感器、声发射器、频闪灯和带有g p s g s m 处理功能的控制器 组成，并备有应急电源。当出现紧急情况时如漏水，机器人主电源会被切断，应急 电源启动，压载物被释放，从而使机器人获得较大的正浮力上浮。当机器人浮到水 面时，可通过g p s g s m 通知母船工作人员回收。此外，s t a r f i s h 还配有声发射 器，用于机器人因缠绕而无法上浮时的水下定位，配备的频闪灯可用于晚上等特殊 条件下的搜寻。 中国海洋大学硕士毕业论文 图1 - 1s t a r f i s ha u v ( 左图) 及其应急控制结构图( 右图) 日本的“u r a s h i m a 号是一种燃料电池驱动的a u v 引，如图1 2 所示。 “u r a s h i m a ”号的一个特点是可通过测量海水的温度及密度变化来预测潜器的 浮力变化，从而可据此调节自身的浮力及倾角。机器人上还装备一个压载释放器用 于正常上浮。另外还有一个紧急压载释放器，用于在突发危险情况下释放压载以便 为a u v 的上浮提供正浮力。当a u v 浮到水面后可通过紧急雷达收发机，将搜救 信号即时发送出去。 移譬喔絮荸髻罗”籀嬲谶7j 、“，? 。麴堂勰。：譬jz 豸 薏布置圈 图1 - 2u r a s h i m aa u v ( 左图) 及其总体结构部分( 右图) 英国的a u t o s u b 6 0 0 0 机器人是设计深度为6 0 0 0 米的深海a u v 4 1 。为保障自身 全，a u t o s u b 6 0 0 0 有两个独立的压载释放机构，每个压载可为机器人提供1 0 k g 的 正浮力，a u t o s u b 6 0 0 0 还配有a r g o s 卫星发射器和频闪灯用于机器人浮到水面时 的定位。 4 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 对于我国的水下航行器来说，“探索者 号是我国第一个水下1 0 0 0 米 a u v t l 3 】，该系统具有一定的自救能力。当出现紧急情况时，应急措施启动，一组 铅蓄电池将被自动抛掉，从而可使a u v 获得7 5 k g 的正浮力并迅速浮出水面。 “探索者 a u v 还可抛出一个应急上浮浮标，该浮标有5 埏正浮力，抛出后可浮 在水面，其上有闪光灯和无线电通讯设备，并配有绳索与“探索者 壳体相连，这 样可使水面工作人员通过浮标拖曳a u v ，以方便回收。此外，我国第一个超深度 载人深潜器，即7 0 0 0 米载人潜水器【1 l 】【1 4 1 1 5 1 ，在设计过程中也十分重视潜器的安全 性。首先潜水器的载人球壳是钛合金制作，其中装配了生命支持系统和两套氧气供 给系统。此外还配置了两个可抛配重块和一个压水舱，在正常情况下需要下潜时， 压水舱注水，开始下潜；当需要在水中悬停时，可抛出一个3 0 0 k g 配重块；当需 要上浮时，它抛出另一个重7 0 0 k g 的配重块，同时向压水舱注入空气，排出海水以 实现上浮。这种设计可以节省蓄电池的能量，延长潜器的工作时间，潜水器从海面： 下潜至7 0 0 0 米深度约需5 小时，而在水下工作时间可长达1 2 个小时。当潜器出现 危险情况时，配重和压水舱还可用来提供正浮力使潜器浮到水面。当配重释放和压 水舱排水出现故障时，还可抛掉主电池组等重量比较大的组件来保障潜器的安全。 此外，机械手在发生水下缠绕时也可抛掉，潜器还配有备用电池组以供舱内设备和 应急系统使用。当潜器浮到水面后，可释放无线电信标，通过信标上所携带的 g p s 定位系统将机器人的位置报告给母船，以便打捞回收。 1 3 本文的课题来源和主要工作 本文课题来源于8 6 3 计划，是其专项技术研究课题“基于同时定位与地图构建 方法的a u v 自主导航技术的一部分。本课题研究以扫描成像声纳为主传感器、 以同时定位与地图构建( s l a m ) 为主要方法的a u v 导航定位技术，研制具有自主 导航能力的a u v 原理演示样机。 对于本文的研究内容来说，自主水下机器人自救系统的研究设计是一个对技术 要求较高的课题，因为它一方面要检测a u v 的工作状态，对a u v 遇到的各种危 _ ” 移 。 涔蠹 中国海洋大学硕士毕业论文 险能够做出及时的自救，另一方面还要保证自身的高可靠性，因此本文只是做了初 步的方案研究和设计。本文以下各个章节安排如下： 第二章介绍了自救系统所服务平台“c r a n g e r ”a u v 的基本控制结构， 自救系统的体系结构及其相关理论知识。 第三章利用了m a t l a b s i m u l i n k 工具软件对本文提出的自救系统方案进行 了初步仿真，并介绍了部分仿真结果。 第四章详细介绍了第一套自救子系统的功能实现。它是附加在基于p c i 0 4 平 台的数据采集管理系统中。p c i 0 4 平台主要负责“c r a n g e r ”a u v 的数据采集和 数据管理，在此平台上添加自救功能无需其他硬件设备的支持，并可实时获取 a u v 的多种状态数据，对危险及时做出反应。 第五章详细介绍了基于嵌入式a r m w i n d o w sc e 平台的第二套自救子系统的 实现：此自救子系统与第一套自救子系统组成了双冗余系统，且与a u v 其他设备 相互独立，提高了自救系统的可靠性。在正常工作状态下，第一套自救子系统处于 激活状态，并负责监测a u v 的工作状态。 第六章详细介绍了自救释放器和自救浮标的设计。此自救浮标在a u v 出现危 险时被释放，用于报告a u v 的位置，为搜寻和回收a u v 起到重要作用。 6 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 2a u v 控制系统与冗余自救系统的设计 作为a u v 安全保障的自救系统，其首要任务就是分析传感器数据，及时发现 危险因素，并根据不同危险情况来采取相应的保护措施。与其任务相对应，自救系 统的主要性能要求是自身必须独立且高度可掣1 2 1 ，只有这样才能在a u v 其他系统 失效的情况下，保护a u v 并使损失降低到最低。针对a u v 工作环境对自救系统 提出的要求，本系统采用了冗余系统的思想来提高可靠性，并采用了基于行为的控 制方法来减少复杂性。 2 1 a u v 控制系统结构 本自救系统的服务平台“c - r a n g e r 号a u v 外形如图2 1 所示。 图2 一lc r a n g e ra u v “c r a n g e r ”号a u v 是种开架式水下机器人。它有五个推进器和两个舱体， 五个推进器分布在水平两个和垂直三个，两个舱体中上舱为电子舱，下舱为电池 中国海洋大学硕士毕业论文 舱。a u v 配有的传感器有主动大小声纳、垂直陀螺仪、数字罗盘、多普勒测速仪 和深度计等。 “c r a n g e r ”号a u v 的硬件体系结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2c - r a n g e ra u v 的硬件体系结构 其中主控机是一台工控机，用于s l a m 算法、路径规划和控制决策的计算； p c i 0 4 控制机( 以下简称p c i 0 4 ) 是一台高度集成的嵌入式主机，其上运行有数据采 集管理系统和第一套a u v 自救子系统；a u v 底层硬件采用了基于c a n 总线的分 布式控制方式，c a n 总线上挂载了许多传感器和数据采集电路。当a u v 正常工作 时，第一套自救子系统处于激活状态，它不断接收和检测来自p c i 0 4 和主控机的 状态数据，在a u v 发生危险时实施自救。为增强可靠性，第二套a u v 自救子系 统位于p c i 0 4 主机和下层硬件之间，它与第一套自救子系统相互独立，起到冗余 作用。在a u v 工作正常时，第二套自救子系统与p c i 0 4 之间会维持一个握手信 号，以监测p c i 0 4 的工作状态。当p c i 0 4 出现故障时，第二套自救子系统将被激 8 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 活。另外需要注意的是第二套自救子系统与a u v 底层硬件之间是通过c a n 总线 直接进行通信的。 9 a 介绍了“c r a n g e r 号a u v 的硬件体系结构及自救系统的基本组成，接 下来将详细介绍自救系统的实现。 2 2 基于行为的控制体系结构 移动机器人的控制体系结构主要有两种，一种是基于功能的控制结构( 又称为 水平式结构) ，另一种是基于行为的行为式结构( 或称为垂直式结构) 。以下将先对两 种体系结构进行简要介绍。 2 2 2 基于功能的控制结构 传统的机器人控制体系结构是基于功能分解的。它源白于基于认知的人工智能 模型，是以问题的建模、规划为基础的，其中传感器信息的校验具有与模型本身同 等的重要性。如图2 3 所示，基于功能的控制结构遵循的是一条从感知到动作的串 行功能分解控制路线，是一种典型的自顶向下构建系统的方法，其中动作不是传感 器数据直接作用下的结果，而是经历一系列从感知、建模到规划等处理阶段之后产 生的结果。这种按照“感知规划行动”( s e n s e p l a n - a c t ，s p a ) 的模式进行 信息处理和控制实现的方法有两个显著的特点。第一个特点是各部分之间的控制流 和信息流是单向的；另一个特点是s p a 规划的执行类似于计算机程序的执行，两 者都是通过组合顺序、判断、循环等语句来构成的。 这种体系结构的优点是系统功能明了、层次清晰、实现简单，在环境信息完全 可测的情况下可以很好地工作。但系统无法适应环境的不确定性和不可预知性，当 环境发生变化时，整个系统要重新进行规划，而规划及世界模型的重建往往都是非 常复杂的。串行的处理方式存在延时，也影响了实际应用中所要求的实时性，而 且，整个系统的智能程度主要取决于规划者或程序员的经验，而不是执行任务的系 统本身。 9 中国海洋大学硕士毕业论文 2 2 3 基于行为的控制结构 图2 3 基于功能的控制体系结构 基于行为的方法是一种自底向上的构建系统方法，它用行为封装了机器人控 制中应具备的感知、探索、避障、规划和执行任务等能力。从物理结构上来说，即 系统中存在着多个并行控制回路，构成各种基本行为，传感数据根据需求以一种并 行方式给出，各种行为通过协调配合后作用于驱动装置，从而产生一些有目的的动 作。由此可以将机器人的任务分解为一系列相互作用的基本行为集合。 基本行为是由控制单元和触发单元组成，如图2 4 所示，控制单元能使机器人 按照特定方式运行，而触发单元决定了机器人何时进行相关操作【1 6 1 。 图2 - 4 基本行为 基于行为的控制结构在人工智能上属于反应式智能，在结构上体现为并行分 布，在执行方式上属于同步执行。机器人的全局任务通过行为之间的相互作用来实 现，具有很强的实时性和鲁棒性。基于行为的控制结构主要分为包容式、反应式和 混合式等【1 7 】【1 8 】【2 l 】【2 2 】。 ( 1 ) 包容式结构 l o 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 基于行为分解的包容式结构最早是由麻省理工学院的r a b r o o k s 提出【1 9 1 ，它是 受到人类大脑进化过程的启发而得出的。人类的大脑是在比较低级原始的功能之上 不断添加高级功能，与此类似，包容式结构先是实现机器人最简单的行为，然后再 在这些行为的基础上添加新的高级行为，以便扩展机器人的功能。如果需要的话， 新行为可以包含旧行为的相应功能，并且旧行为可被保留，以便在高级行为不适用 时用来对机器人进行控制。此外上层行为可以对下层行为产生抑制作用。如图2 5 为一个包容式控制结构模型，其中s 表示抑制作用。 包容式结构具有较高的通用性，它用行为封装了机器人应具备的感知、规划和 执行等能力，不是通过中心系统进行集中式控制，使得环境变化不会使系统性能发 生剧烈改变。但是，这种结构比较复杂，当具体任务要求发生变化时系统难以进行 重构，而且随着行为层的增加，行为之间的协调仲裁将变得更加困难，系统的整体 行为将不可预测。下图是一个包容式控制结构模型，。其中s 表示抑制作用。 图2 - 5 包容式控制结构模型 ( 2 ) 反应式结构 反应式控制结构是由佐治亚理工学院的a r k i n 提出的【2 0 】，它也是采用了基于 行为的分解模式，但在反应式结构中，运动意图是最基本的行为单元，它包含了如 何感知、如何执行的知识以及相应的计算方法，即每个动作意图中都包含着一个或 几个感知过程为该动作进行特定的感知。每个运动意图对应一个基本的行为，并以 矢量的形式表示，通过矢量叠加的方法实现运动意图之间的协调，如图2 - 6 所示。 基于反应式结构的系统设计包括两部分，即行为集的设计和对应的控制参数集的设 计。行为集由机器人要执行的具体任务决定，是一系列基本行为的集合，控制参数 中国海洋大学硕士毕业论文 集是其对应行为的权重值。因为行为权重值的设置对系统的性能有重要影响，所以 在设计时需要特别注意。反应式结构的模块化程度较好，增强了系统的灵活性，并 且由于该结构把感知与运动结合了起来，实现了机器人对环境变化的快速响应。 图2 - 6 反应式控制结构模型 ( 3 ) 混合式结构 ：所谓混合式结构就是将多种控制结构有机的结合起来，实现多种体系结构的优 势互补，形成了更具鲁棒性的混合式体系结构。基于混合式体系结构的机器人系 统，可以通过对控制结构进行合理的分层，将底层基于行为的包容式结构、反应式 结构与上层规划、推理系统有机地结合在一起。 机器人基于功能的结构与基于行为的结构的主要特点可以归纳如下【2 l 】： ( 1 ) 基于功能的机器人适合在确定的、可预知的、简单的且结构化的环境中工 作，对传感信息进行集中式融合处理；基于行为分解的机器人可在动态的、不确定 的、复杂的非结构化环境中工作，对传感信息进行分布式直接处理。 ( 2 ) 基于功能的机器人对环境的处理要有预先设定的模型，在对己有的环境模型 及给定的任务进行精确的规划之后，产生动作及行为序列；基于行为的机器人对环 境的处理无需中心模型，通过目标、环境信息及机器人之间的交互作用产生动作及 行为序列。 ( 3 ) 基于功能的机器人由中央集中控制，信息串行处理且计算量大；基于行为的 机器人的控制方式是自组织且分布的，信息的处理方式是并行的，而且计算量较 少。 1 2 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 ( 4 ) 基于功能的机器人的模块的串行组织方式，使结构固定不变，其任务的实现 方式主要通过算法实现；基于行为的机器人由于模块的并行组织，分层结构的动态 实现，其任务的实现方式是通过自学习、自组织以及与环境的交互作用实现的。 总之，与传统基于功能的机器人控制方法相比，基于行为的控制结构实时性 及适应性更强，更加适合机器人在未知环境中完成复杂的协作任务。因此，面对水 下复杂而又恶劣的作业环境，本冗余自救系统采用了基于行为的控制方法，以下部 分将对其基本体系结构进行介绍。 2 3 冗余自救系统的体系结构 本冗余自救系统体系结构主要分为数据采集和决策控制两个部分，如图2 7 所示。其中数据采集部分主要是采集与自救系统相关的传感器数据并进行预处理 ( 如去除噪声等) 。自救系统相关的传感器主要包括：推进器状态检测电路、罗盘、 深度计、电池电压检测电路、漏水检测电路等，其中罗盘主要是用来获得机器人纵 倾角和横摇角，进而维持a u v 的姿态稳定。其他相关数据部分主要是a u v 水下 工作时间、主控计算机工作状态及p c i 0 4 采集系统的运行状况。 推进器 罗盘 深度 电池电压 泄露检测 其他 ，7 一一一 一 、 ； 自救处理部分 ： ： ，一一一_ - - 一- - 一、： 自救措施 i ： i i i i i。lli 。 i 推进工纾l ； 自 i i 救 - 决策控制子系 i 啼 检 - 应急上浮il a u v 1 统 测 i i- il 释拉浮标l ： i r i !： r i 。 。 - - 一一- j 一- - 一- ，jj 图2 7 自救系统结构 决策控制子系统主要负责根据现场检测数据进行智能决策，即分析a u v 遇到 的不同危险情况而采取不同的自救措施。其中最主要的自救保护措施是通过推进上 中国海洋大学硕士毕业论文 浮或抛载上浮，使机器人尽快上浮到水面并被顺利回收。同时，为了方便岸上工作 人员搜救以及应对极端危险的情况，如机器人被卡或下沉，机器人可以装备两个浮 标。一个浮标配有缆绳与机器人壳体相连，以方便岸上人员拖曳回收，另一个为无 绳浮标，两个冗余浮标的设计可增强可靠性。当浮标被释放而浮至水面后，可通过 g p s 定位系统确定自身位置，并通过g p r s g s m 向母船报告水下机器人的位置， 最终机器人可以被打捞回收。图中所示的自救指令包括释放信标指令、释放配重指 令、节电指令、重启主控计算机指令、重启主控软件指令等，释放配重是为了使机 器人获得较大的正浮力上浮，节电指令主要是应对电能紧张的情况。需要注意的 是，此处的推进上浮需要推进器的参与，即在推进器工作正常的情况下才能实现推 进上浮，尤其是需要垂直推进器正常。 2 4 自救系统决策控制 根据机器人在水下遇到的各种危险及其复杂性，本自救系统的决策控制部分采 用基于行为的控制方法。如图2 8 所示，本自救系统共有7 种自救行为。 ( 1 ) 自救推进上浮行为：当出现以下任何一种危险情况时，自救系统将会启动 自救推进上浮行为，使机器人上浮至水面。电子舱或电池舱检测到漏水；工 作时间超长；工作深度超限；重启计算机及软件无效；电池电压较低； 水平推进器不能正常工作。 ( 2 ) 姿态稳定行为：在自救推进上浮过程中，机器人姿态需要保持稳定，即通 过对机器人纵倾角和横摇角的控制，使之稳定在0 度。此姿态稳定行为和上述自救 推进上浮行为都是在自救系统的运动控制下进行的，它与a u v 本身的运动控制是 相互独立的。 ( 3 ) 逃离行为：当a u v 被水草等缠住或被卡住时，自救系统将启动逃离行 为。此时机器人先按与原来运动方向相反的方向运动，若无效的情况下随机朝任意 方向运动以摆脱困境。 ( 4 ) 节电行为：当电池电压较低的情况下，触发节电行为，此时与自救无关的 电路或设备将停止供电。如果电压很低，可启动备用电源。 1 4 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 ( 5 ) 正浮力上浮行为：当垂直推进器不能正常工作时，机器人就不能通过推进 上浮至水面，因此机器人需要依靠正浮力实现上浮。正浮力可通过两种方式获得， 一种是在a u v 下水前通过添加浮球等方式调整正浮力，另一种方式是安装专门的 压载释放机构，通过释放压载来获得正浮力。 ( 6 ) 释放信标行为：当出现以下任何一种情况时，自救浮标将被释放。工作 时间超长；工作深度超限；电压很低的情况下。 ( 7 ) 重启行为：当主控计算机发生死机故障或主控软件出现问题时，可采取重 启计算机或主控软件的措施。 ，。一、 ? 决策控制子系统 j l 图2 8 自救系统行为 为避免某一时刻有两个甚至更多的行为同时触发而引起行为冲突，在基于行为 的控制方法中引入了仲裁机构，通过仲裁输出某一行为。本自救系统的仲裁机构采 用可变优先级方式。采用可变优先级仲裁一方面可以使机器人更好地适应复杂多变 的环境，另一方面也是考虑到某些行为相互之间并不产生冲突，如释放信标行为和 正浮力上浮行为，它们可同时作用于机器人。此外有些行为一旦被触发则只执行一 次或执行有限次，如释放信标行为，重启行为和正浮力上浮行为等。在本系统中， 传感器数据会被输出到仲裁器，然后由仲裁器根据实际情况来改变行为的优先级， 中国海洋大学硕士毕业论文 其中主要的改变是将一些高优先级的行为降低以便低优先级的行为可以输出。各个 行为的初始优先级从高到低依次为： 重启行为； 节电行为； 释放信标和正浮力上浮行为( 同为第4 优先级) ； 防静止行为； 姿态稳定行为和自救推进上浮行为( 同为第5 优先级) 。 基于行为的控制方法对本系统来说有突出的优点，首先它可使机器人各个环节 相互并行存在，从而使机器人能够时刻观察各种危险隋况。此外在传感器数据错误 或者缺乏的情况下，基于行为的机器人也能够方便地对实现方法进行调整，从而使 整体性能不致恶化。再者，采用基于行为的控制方法也易于以后扩展其他自救行为 功能。 2 5 本章小节 本章主要介绍了自救系统所服务平台“c r a n g e r 号a u v 的基本硬件结 构及冗余自救系统的基本方案设计，并在基于行为控制理论的基础之上，详细说明 了自救系统的体系结构及其决策控制子系统。 1 6 自主式水下机器人冗余自救系统的设计与实现 3 冗余自救系统的仿真研究 3 1 自救仿真 本自救系统方案在m a t l a b s i m u l i n k 工具软件中进行了仿真【2 3 l 。仿真过程 中，a u v 规划路径为自起点( 0 ，0 ，0 ) 下潜到深度1 0 m ，终点是( 4 5 ，4 5 ，0 ) ，坐标系及其 正方向选择如下述三维示意图中所示。a u v 采用定深航行，且其中机器人避障和 趋向目标采用基于人工势场的方法【2 4 】，